ВОЗМОЖНОСТИ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ

Аналог нейрона- “нейристор” может быть выполнен на основе микромощного операционного усилителя (например типа 140УД1208, тогда блок, состоящий из 30 нейристоров, будет потреблять ток около 1мА). Возможная схема нейристора приведена на схеме 6.

В отличие нейрона, где вход практически один - сома клетки, а способность возбуждать ее или тормозить зависит от электрического воздействия медиаторов в синапсах, в нейристоре следует предусмотреть раздельные возбуждающие и тормозящие входы, каждый из которых способен суммировать неограниченное количество сигналов в точках виртуального нуля, образованных действием отрицательных обратных связей. Неравноценность этих входов только в том, что тормозной сигнал будет иметь приоритет и, начиная с его некоторого уровня, каким бы сильными был возбуждающий сигнал, нейристор будет заторможен. Это вызвано лишь ограниченной величиной питающих напряжений.

Сигналы подаются через цепочку последовательно соединенных диода и резистора, сопротивление которого и определяет коэффициент синаптической передачи. Так, резистор 1 мом соответствует К-1, резистор 2 мом - К-О,5.

При максимальном сигнале, приложенном через К-О,5 на выходе нейристора установится потенциал, равный половине его динамического диапазона. Если максимальные сигналы приложены к обоим входам нейристора через К-1, на выходе будет ноль, что соответствует не возбужденному состоянию.

В данном нейристоре не используется импульсное модулирование степени возбуждения, что, вовсе не обязательно для реализации нейрофизиологических механизмов.

Получившаяся схема нейристора - очень универсальна и если просто использовать ее как схемотехнический элемент в электронике, можно реализовать следующие функции:

1. Аналоговое суммирование сигналов по обоим входам.

2. Аналоговое масштабирование сигналов - изменением К.

З. Логическую функцию "или" с произвольным числом сигналов - подачей максимальных уровней через К-1 с возможностью стробирования и наращивания по другому входу.

4. Логическую функцию "и" с произвольным числом сигналов - выбором К в зависимости от числа входящих сигналов.

5. Функцию регенеративного компаратора и стробируемого триггера - введением связи с выхода на возбуждающий вход через выбранный К (модель реверберационного вида памяти).

6. Логическую функцию "исключающее или", расширенную в область как положительных так и отрицательных входных сигналов любых амплитуд с произвольным числом равноценных сравниваемых пар входов, - за счет подавления синфазных сигналов с одинаковыми К. Отсюда же следует возможность работы в качестве низкочастотного фазового детектора.

7. Функцию генератора периодических сигналов - подключением конденсатора к тормозящему входу относительно земли и замыканием возбуждающего входа с выходом через К больше О,1, но меньше О,9.

Возможна реализация и других функций, обусловленных спецификой схемы. Поэтому, выполненный в виде микросхемы, описанный элемент был бы полезным в самом широком радиотехническом применении. Так, например, одного нейристора достаточно для устройства, контролирующего работоспособность всех источников положительного и отрицательного напряжения.

Но, конечно, основное призвание- использование нейристоров для построения адаптивных контуров регулирования.

Самое сложное звено в нейристорной схемотехнике - это способ автоматического изменения коэффициентов передачи. Традиционная схемотехника не может предложить достаточно компактный, работающий по нужному алгоритму комутатор. Главная трудность заключается в том, что установившееся значение К нужно сохранять по крайней мере пока присутствует питающее напряжение.

Попытка использовать дискретную память требует перехода всей схемотехники на цифровой уровень, что создает специфические трудности и неудобства (предоставляем скептикам убедиться в этом на собственном опыте).

Тем более нет смысла сводить все к микропроцессорным системам пусть и с очень высоким распараллеливанием процессов. Дело в том, что от такой структурной единицы как детектор не уйти (учитывая весь набор доводов против универсальной матрицы памяти "рецепторы - эффекторы"), а для реализации его функций достаточен нейристор. Выходом из положения не является и попытка разработать контролер, моделирующий группу детекторов, что из-за не менее, чем 1000 адаптивных связей каждого элемента с соседними, выливается в очень сложные сети даже если эта группа состоит из десятка детекторов.

Можно ли представить себе компьютерную систему, моделирующую 1000000 детекторов (элементарных образов), каждый с 1000 адаптивных связей, коэффициент передачи которых должен устанавливаться индивидуально? И работающую в реальном масштабе времени!

Рассмотрим возможность аналоговой реализации постоянной (синаптической) памяти. Достаточно отработанные, “классические” схемотехнические приемы приводят к неприемлемо громоздким устройствам.

Учитывая, что на один детектор нужно предусмотреть возможность образования не менее 1000 связей со своим индивидуальным К, остается искать разве что сведи нетрадиционных функциональных элементов.

Можно представить некое поле электродов, закрепленных в миниатюрной изолирующей сфере. Эта сфера отделена гелеобразным (или другим неподвижным для предотвращения взаимной ионной диффузии) электролитом от общего электрода - входа нейристора. Поначалу электролит должен быть обеднен носителями, чтобы синапсы были непроводящи. При общем подкреплении (например, ионофорез, использующий разность потенциалов между "возбужденными" входными электродами и "возбужденным" с помощью подкрепления входом нейристора) в синаптических щелях электродов (только активных) накапливаюся носители, концентрация которых и будет определять К.

Если удастся разработать такое поле синапсов в достаточно миниатюрном исполнении (порядка 20 см2), откроется возможность в полном объеме реализовать модели реальных нейросетей. И тогда станет вполне реальным построение, откладка и воспитание Системы Знаний Человечества (СЗЧ), способной развиваться в органической и неразрывной связи с развитием общества.

Снабженная разветвленной сетью входных и выходных терминалов и имеющая в качестве помощников цифровые ЭВМ, СЗЧ сможет формировать знания и опыт в готовом для практического приложения виде, сможет "мгновенно” в контексте конкретного применения выдавать решение, а, возможно, и действовать. Чтобы в полной мере стать сообщником людей СЗЧ должна не по книжкам, а на собственном опыте понимать свойственные человеку переживания.

Отдаленность подобных проблем делает их фантастическими. Для того, чтобы иметь возможность говорить о конкретных нейристорных схемах определим электрическое устройство синапса на основе электролитической ячейки. Так как по своим свойствам он напоминает электролитический конденсатор, то пока воспользуемся его свойствами. Такой конденсатор (из некоторых типов) не проводит при подключении положительного потенциала к "+” - выводу и начинает "протекать" в обратном включении. Для организации управляемого синапса включим его по следующей схеме (схема 7).

Транзистор будет поводить только когда между коллектором и эмиттером возникнет достаточная для разгона носителей разность потенциалов. Тогда они преодолевают барьер обратносмещенного база-коллекторного перехода. Для этого необходимо чтобы конденсатор начал проводить. Очевидно, его нужно сместить в обратном направлении, что обеспечивается цепями подкрепления.

Неспецифическое подкрепление подключает к общему проводу целую группу нейристоров, скажем, данного канала восприятия. Но связи образуются только между возбужденными нейристорами, один из которых выполняет роль стимула, другой - специфического подкрепления.

Однако, на самом деле имеющиеся не приспособлены для работы в таком неестественном режиме и поэтому не очень подходят для нейристорных схем. Требуется разработка специализированной ячейки синаптического коммутатора.

В дальнейшем будем обозначать синапс кружком без цепей подкрепления. В случае эффективной связи внутри кружка поместим численное значение К, после чего просто становится перевести на уровень схемотехнической реализации все примеры, встречавшиеся в ходе изложения. Так, для схемы 2 это будет выглядеть следующим образом (схема 8).

Теперь это - уже практически работоспособное устройство. Другой пример - схема З (схема 9).

Так же можно интерпретировать другие механизмы.

Удобство нейристорных схем в их функциональной наглядности и легкости практической реализации нужного механизма действия.

Приведенных примеров достаточно для не слишком обременительной иллюстрации приложения нейристорной схемотехники, поэтому остановимся лишь на грубых прикидочных подсчетах во что же выльется создание развивающейся системы знания в минимальном объеме.

Предположим, что синаптическая ячейка уже разработана и состоит из 103 потенциальных связей. Это дает возможность достаточно полно организовать нужные цепи.

Аналогами человеческих входных анализаторов можно выбрать: телекамеру - как датчик зрительного анализатора, для слухового анализатора- микрофон и линейка фильтров, широкодиапазонный радиоканал (выделенные звуковой и видеосигналы поступают на зрительный и слуховой анализаторы), химические рецепторы, реагирующие на определенные функциональные группы, тактильные датчики манипулятора, датчики аварийных режимов.

Диапазон и возможности каждого из рецепторных анализаторов определяются числом выходных каналов разложения воспринимаемого сигнала на составляющие.

В зрительном анализаторе выберем 1000 плотно расположенных радиально 3- цветных приемника- для центрального поля зрения и 2000 3- цветных приемника- для периферического поля зрения. Всего- 9000 аналоговых (по яркости) каналов специальной фоторезисторной матрицы. Фокусировка и локализация потребуют создания самоуправляемой (обучение) подвижной системы.

В слуховом анализаторе для приемлемой точности распознавания в 12 октавах от 10Гц до 40кГц потребуется 1200 каналов с аналоговыми выходами. (Организовать деление по частотам с такой плотностью фильтрации очень непросто).

На долю химического, тактильного и аварийного анализаторов положим по 100 каналов.

На первый взгляд могут показаться странными такие довольно произвольные количественные оценки. Но система будет развиваться как бы мы ни ограничили возможности ее восприятия. Хороший пример тому - люди, лишенные целиком отдельных сенсорных систем (зрения, слуха, обоняния), что в ходе развития удовлетворительно компенсируется.

Со стороны эффекторов: для манипулятора -100 выходных сигналов, управление теле- и радиоприемниками -20 каналов, управление речевым синтезатором -100 каналов, управление адаптером дисплея и фокусирующей системой-10 каналов, управление печатью -100 каналов.

От рецепторов и эффекторов к ассоциативным зонам должны конусами расходиться слои детекторов. Чем больше коэффициент расхождения К (отношение числа нейристоров последующего слоя к числу предыдущего), тем богаче фонд признаков сможет организовать система в различных условиях восприятия, т.е. к большему числу условий станет возможным приспособиться, но чем больше слоев, тем мощнее потенциал интеллекта, хотя для того, чтобы иметь возможность снова возвращаться к критическим периодам развития тех или иных слоев в них можно предусмотреть резервное количество потенциальных детекторов, подключая их в тот момент, когда нужно усвоить новые признаки, появившиеся в восприятии.

Со стороны рецепторов получилось 11х103 каналов, а со стороны эффекторов -ЗЗО.

Выберем три слоя рецепторных детекторов с К=5 (6х104), К=З (18х104) . К=2 (З6х104), три слоя ассоциативных детекторов по 105 нейристоров и три слоя эффекторных детек.торов с К=10 (З,Зх103, З3х103, ЗЗХ104). В скобках указано количество нейристоров в каждом слое.

Всего система будет состоять из 1,27х106 нейристоров. При потреблении каждого нейристора 20 мкА, общее потребление по источникам ±±5В составит 2х25,4 А или 250Вт. Кроме того, для каждого нейристора полезно предусмотреть индикацию его состояния на бескорпусных светодиодах, питаемых автономным нестабилизированным источником +5В, включаемым на время настройки и исследований. При потреблении светодиода- 5ма, общее потребление индикации при возбуждении всех нейристоров составит 6,З5х103 А или З2кВт, что для целей индикации вполне реально.

Если нейристор будет представлять собой бескорпусную микросхему, то габариты лимитируются только синаптической ячейкой. Предположим, что удалось разработать ячейку на 103 входов в виде прямоугольника площадью 4 см2 (1ООО микроконтактов на всей его поверхности). Тогда размеры стандартной платы на 50 ячеек и 50 нейристоров составят около 250х200 мм. Для системы потребуется 25000 таких плат, занимающих общую площадь 2000 м2. Все это можно разместить в четырех плоских стойках, размерами 2х4 м по 6000 плат в каждой. На монтаж такой системы потребуется не менее 2х105 человеко-дней.

Вместе с тем вполне реально создание узкоспециализированных систем, работающих в ограниченно изменяющихся условиях. Это системы управления с большими потоками входной информации и оперативной ее переработкой для точного и надежного реагирования. Такие системы могут оказаться неизмеримо проще и дешевле и их создание возможно уже в ближайшее время.

СОЦИАЛЬНАЯ АДАПТАЦИЯ

Рассматривая наиболее "человеческие" свойства интеллекта, ранее удавалось не связывать их с социальным фактором, хотя уже на уровне четвертого нейрофизиологического принципа послеживаются возможности экспериментирования с псевдостимулами-образами ожидаемого восприятия и, в частности, с моделями других "я", представленными в мозгу.

На уровне пятого принципа (формирование иерархии осознанных целей) появляется механизм целеобразующего прогноза, определяющего непосредственное поведение личности в социальном окружении. При этом механизмы реализации этих принципов также присущи и высшим животным.

Эволюционное становление механизмов информационно-поведенческой адаптации человеческого мозга в изначальных условиях существования в виде стаи неизбежно должно было привести их к социальной специализации и созданию качественно нового механизма, обозначенного шестым принципом.

Очень важны были сроки такой эволюции, а значит и факторы, которые могли влиять на эти сроки.

Ранее говорилось, что возможность создания все более сложных детекторов признаков и связывание их в контурах регулирования (жизненный опыт) зависит от длительности стадий критического развития. Кроме того, важную роль должны играть контуры регулирования ориентировочного рефлекса, оптимизирующие характер и степень любопытства в различных стадиях развития.

Определенные, быстроменяющиеся условия внешней среды могут давать преимущества индивидуумам с "улучшенным" ориентировочным рефлексом. Человеческие стаи имеют такие преимущества: длинные сроки критического развития, последний из которых растягивается на всю жизнь и в связи с этим относительно долго не слабеющее любопытство.

Затянутый период инфантильности (период доверчивого обучения), который мог сложиться социально, давал возможность длительное время не полагаться только на свой опыт. При этом многие функции жизнеобеспечения перекладываются на более опытных членов общества. Такой социальный механизм адаптации - наиболее информационно емкий и оперативный, дает возможность резко менять характер поведенческих реакций.

Личный приспособительный опыт формируется не только с развитием каждого индивида, но и, по мере расширения информационной коммуникабельности (культуры), используется опыт других членов данного поколения, а также сведения, формализованные в книгах, изделиях, музыке, живописи и других материальных носителях культурного наследия. Но это становится достоянием индивидуума только по мере формирования личного отношения (чтобы "понять" живопись, музыку, литературу и любые другие формализованные сведения, нужно самому пройти путь развития данного произведения по предшествующим).

Во многих случаях каноны добра и зла, выработанные многими поколениями и являющиеся основными формирователями социальной адаптации, не могут быть в полном объеме в каждом случае поверены личным опытом безнаказанно (учиться все же безопаснее на чужих ошибках). Поэтому в определенной мере воспитывается фанатичное (безоценочное) отношение к основам культуры.

Позитивные догмы, религия и другие атрибуты общей культуры цементируют общество в один социальный организм, образуя общественный контекст взаимопонимания, хотя тем самым и консервативны.

Остановимся подробнее на тесной связи нейрофизиологических принципов организации и развития мозга с социальными условиями.

При общении людей формируются, обогащаются опытом общения, кроме собственного контекста "я", модели чужих "я", которым при определенных условиях может быть передано управление и тогда функции "я" личности возьмет на себя чужая модель (перевоплощение).

Кроме того, образуется множество моделей собственного "я", специализированных для определенных условий. .Общим для всех этих моделей является система значимости организма - его мораль в самом широком смысле. Взаимодействие и передача управления между ними происходят по уже рассмотренному ранее механизму: внимание и сознание оказываются там, где произведение значимости текущего состояния на его новизну наивысшее. Из всего "телепатически" связанного сообщества моделей "я" громче всех слышен голос того, где совершается наиболее интересное.

Истинно “коммунистическое” содружество объединенной одной системой значимости-ценности "подличностей" мозга - это пример оптимальной организации общества.

Та область мозга, где локализуется сообщество моделей "я" и накапливается их опыт, развивается соответственно изменяющимся окружающим условиям, а в большей степени - социальным.

Характерной чертой развития человека является то, что ему в рамках своего вида приходится приспосабливаться к изменяющимся условиям внешней среды несоизмеримо в меньшей степени, чем к быстро меняющимся условиям социального окружения.

Любые новшества требуют приспособления к ним членов общества и изменения их жизненного опыта. Новая же ступень опыта открывает возможности для новых новшеств. Но творит, как правило, чей-то конкретный мозг, а продукт осваивают многие окружающие, т.е. налицо некий ускоряющий коэффициент прогресса человеческой цивилизации, пропорциональный количеству людей, перенимающих новшество.

Понятно, что в условиях изолированных стай этот коэффициент мал, но с информационным объединением он начинает резко расти, так же резко увеличивая вероятность производных новшеств. Это и порождает эффект самоускоряющегося развития - самоприспособляемости человеческого общества. Освоение новшеств группой людей требует приобретения соответствующих знаний с помощью предоставляемых сведений об этом новом, переводимых в личный опыт через личное отношение. Неформализуемая часть знаний требует передачи опыта обучением, а это означает и передачу соответствующей части культуры.

ПРИЛОЖЕНИЕ

РАБОЧАЯ ВЕРСИЯ МОДЕЛИ ДЫХАТЕЛЬНОГО ЦЕНТРА

Данное приложение носит иллюстративный характер. Предлагается пример приложения системы нейрофизиологических принципов для построения гипотетической модели организации дыхательного центра, которая может быть использована для целенаправленного планирования исследований в данном направлении.

Рассмотренные ранее принципы диктуют вполне определенные представления о возможной модели дыхательного центра (ДЦ), как о многоуровневой системе со специфической рецепцией каждого уровня и эффекторными программами реакций соответствующих уровней.

Способность к обучению структур самых сложных уровней сохраняется постольку, поскольку там могут созревать до стадии пейсмекерной активности молодые нейроны, образуя новые детекторы, или может осуществляться менее эффективное обучение, закреплением потенциальных связей с образованием дополнительных активирующих или тормозных составляющих уже ранее образованных контуров регулирования.

Основой ДЦ являются рецепторы значимости: концентрации кислорода, двуокиси углерода, водородных ионов, давления в легких, растяжения мышц и, конечно, многие другие, о роли которых, возможно, еще не подозревают исследователи. Все эти виды датчиков различают потребность во вдохе и потребность в выдохе.

Понятно, что при наличии датчиков запуска каждой из фаз дыхания, некий автоколебательный генератор дыхательного ритма не нужен. Но он неизбежно образуется как побочный результат формирования детекторов фаз дыхания, связанных взаимным торможением. Один полюс этого генератора -- это эффекторные детекторы (фаза вдоха), которые возбуждаются, когда сигналы механорецепторов мышц, сжимающих легкие, превысят по силе тормозное влияние другого полюса - эффекторных детекторов (фаза выхода), возбуждение которых стимулируется сигналами механорецепторов, растягивающих легкие. Так как все это относится к первому уровню регуляции (к первичным зонам мозга), то вряд ли возможно влияние на эти полюса рецепторов других зон напрямую. Поэтому другие виды рецепторов могут влиять на уровне более тонких составляющих фаз дыхания.

В начальном критическом периоде развития организма должны фиксироваться связи между эффекторами растяжения и сжатия и соответствующими им эффекторными детекторами (командными нейронами). Причем на этом этапе возможно лишь их одновременное реагирование на общий запускающий стимул (контекст реакции) по сигналам датчиков потребности во вдохе и выдохе. В это время и образуются детекторы этого общего контекста -- полюса генератора дыхательного ритма. Автоколебательный режим этого генератора может реализоваться только в отсутствие тормозного влияния на командные нейроны фаз дыхания.

Сразу вслед за образованием связей между эффекторами и их командными нейронами должна начаться и все более углубляться дифференциация этих командных нейронов по участию в тех или иных составляющих фаз дыхания вследствие образования корректирующих тормозных и возбуждающих контуров регулирования, которые оптимизируют последовательность работы мышц по сигналам детекторов значимости. При этом образуются многозвенные программы смен фаз дыхания. Детекторы значимости, участвующие в таком регулировании, различаются на специфические (механорецепторы) и неспецифические (хеморецепторы). Так как образование новых связей специфических рецепторов становится невозможным на поздних этапах развития организма, то образование новых контуров регулирования носит неспецифический характер для процесса дыхания и представлено в виде модулирующего общего тормозного влияния на моторные структуры фаз вдоха и выдоха. Однако такое влияние довольно эффективно и достаточно, т.к. уровнем тормозной модуляции можно выделить любую составляющую фаз дыхания в звеньях их последовательности, которые отличаются порогами запуска.

Описанная модель приведена на схеме. В отсутствие тормозного влияния групп КН, МН, Рец с ЭДС и ЭДР входят в автоколебательный режим по типу релаксационного, где разделяются только две противоположные фазы: резкий вдох и резкий выдох. Гистерезис генератора обусловлен взаимным тормозным влиянием ЭДС и ЭДР.

Сильное тормозное влияние задает ждущий режим генератора, запуск которого происходит, когда возбуждение датчиков потребности во вдохе превысит уровень тормозного влияния, что приведет к лавинообразному возбуждению сначала структур регуляции вдоха, а затем структур регуляции выдоха. К этому моменту потребность вдохи спадает и дыхательный ритм снова затормаживается.

В норме амплитуда дыхательных движений определяется тормозной модуляцией от высших отделов, уровень которой оптимизируется по средней степени возбуждения хеморецепторов в контексте текущего поведенческого акта. Частота дыхания в большой степени определяется прямым влиянием хеморецепторов.

В покое дыхание осуществляется вообще без участия активного выдоха, т.к. при неглубоком дыхании возбуждение рецепторов растяжения не преодолевает тормозного влияния ЭДР на ЭДС и после очередной потребности во вдохе генератор, находясь в триггерном режиме, разрешает только фазу вдоха.

Те или иные эффекты в норме, патологии и эксперименте могут быть достаточно наглядно интерпретированы представленной моделью. Уровень рассмотрения систем дыхания и их не дыхательных функций (кашель, сознательное управление дыханием и т.п.) в модели не доходит до ассоциативных высших структур мозга, которые, однако, составляют неотъемлемую часть организации контуров регулирования “дыхательного центра”.